В органической химии нитрил — это любое органическое соединение , которое имеет функциональную группу − C ≡ N. Название соединения состоит из основания, которое включает углерод − C≡N , с суффиксом «нитрил», так, например, CH 3 CH 2 C≡N называется « пропионитрил » (или пропаннитрил). [1] Префикс циано- используется взаимозаменяемо с термином нитрил в промышленной литературе. Нитрилы встречаются во многих полезных соединениях, включая метилцианоакрилат , используемый в суперклее , и нитриловый каучук , нитрилсодержащий полимер , используемый в лабораторных и медицинских перчатках без латекса . Нитриловый каучук также широко используется в качестве автомобильных и других уплотнений, поскольку он устойчив к топливу и маслам. Органические соединения, содержащие несколько нитрильных групп, известны как цианоуглероды .
Неорганические соединения, содержащие группу −C≡N , называются не нитрилами, а цианидами . [2] Хотя и нитрилы, и цианиды могут быть получены из солей цианидов, большинство нитрилов не столь токсичны.
Геометрия N−C−C линейна в нитрилах, что отражает sp-гибридизацию тройной связи углерода. Расстояние C−N короткое и составляет 1,16 Å , что соответствует тройной связи . [3] Нитрилы полярны, на что указывают высокие дипольные моменты. Как жидкости, они имеют высокие относительные диэлектрические проницаемости , часто в 30-х.
Первое соединение гомологичного ряда нитрилов, нитрил муравьиной кислоты , цианистый водород был впервые синтезирован К. В. Шееле в 1782 году. [4] [5] В 1811 году Ж. Л. Гей-Люссак смог приготовить очень токсичную и летучую чистую кислоту. [6] Около 1832 года Фридрих Вёлер и Юстус фон Либих приготовили бензонитрил , нитрил бензойной кислоты , но из-за минимального выхода синтеза не были определены ни физические, ни химические свойства, а также предложена структура. В 1834 году Теофиль-Жюль Пелуз синтезировал пропионитрил , предположив, что это эфир пропионового спирта и синильной кислоты. [7] Синтез бензонитрила Германом Фелингом в 1844 году путем нагревания бензоата аммония был первым методом, дающим достаточно вещества для химических исследований. Фелинг определил структуру, сравнив свои результаты с уже известным синтезом цианида водорода путем нагревания формиата аммония . Он придумал название «нитрил» для новооткрытого вещества, которое стало названием для этой группы соединений. [8]
В промышленности основными методами получения нитрилов являются аммоксидирование и гидроцианирование . Оба пути являются зелеными в том смысле, что они не производят стехиометрических количеств солей.
При аммоксидации углеводород частично окисляется в присутствии аммиака . Это преобразование практикуется в больших масштабах для акрилонитрила : [9 ]
При производстве акрилонитрила побочным продуктом является ацетонитрил . В промышленных масштабах методом аммоксидации получают несколько производных бензонитрила , фталонитрила , а также изобутиронитрила. Процесс катализируется оксидами металлов и, как предполагается, протекает через имин.
Гидроцианирование — это промышленный метод получения нитрилов из цианистого водорода и алкенов. Для этого процесса требуются гомогенные катализаторы . Примером гидроцианирования является производство адипонитрила , предшественника нейлона-6,6 из 1,3-бутадиена :
Реакции метатезиса двух солей популярны для лабораторных масштабных реакций. В синтезе нитрила Кольбе алкилгалогениды подвергаются нуклеофильному алифатическому замещению цианидами щелочных металлов . Арильные нитрилы получают в синтезе Розенмунда-фон Брауна .
В общем, цианиды металлов объединяются с алкилгалогенидами, давая смесь нитрила и изонитрила , хотя соответствующий выбор противоиона и температуры может минимизировать последний. Алкилсульфат полностью устраняет проблему, особенно в неводных условиях (синтез Пелуза). [5]
Циангидрины — это особый класс нитрилов. Классически они получаются в результате присоединения цианидов щелочных металлов к альдегидам в реакции циангидрина . Из-за полярности органического карбонила эта реакция не требует катализатора, в отличие от гидроцианирования алкенов. O-силилциангидрины образуются путем присоединения триметилсилилцианида в присутствии катализатора (силилцианирование). Циангидрины также получаются с помощью реакций трансциангидрина, начиная, например, с ацетонциангидрина в качестве источника HCN. [10]
Нитрилы могут быть получены путем дегидратации первичных амидов . Обычные реагенты для этого включают пентоксид фосфора (P2O5 ) [ 11 ] и тионилхлорид ( SOCl2 ). [12] При связанной дегидратации вторичные амиды дают нитрилы путем деградации амида фон Брауна . В этом случае разрывается одна связь CN .
Существует множество традиционных методов получения нитрила путем окисления амина . [13] Кроме того, в последние десятилетия было разработано несколько селективных методов для электрохимических процессов. [14]
Превращение альдегидов в нитрилы через альдоксимы является популярным лабораторным путем. Альдегиды легко реагируют с солями гидроксиламина , иногда при температурах, близких к температуре окружающей среды, с образованием альдоксимов. Их можно дегидратировать до нитрилов простым нагреванием, [15] хотя в этом может помочь широкий спектр реагентов, включая триэтиламин / диоксид серы , цеолиты или сульфурилхлорид . Родственная гидроксиламин-O-сульфоновая кислота реагирует аналогичным образом. [16]
В особых случаях можно использовать реакцию Ван Лейзена . Также эффективны биокатализаторы, такие как алифатическая альдоксимдегидратаза .
Ароматические нитрилы часто готовятся в лаборатории из анилина через соединения диазония . Это реакция Зандмейера . Для нее требуются цианиды переходных металлов. [17]
Нитрильные группы в органических соединениях могут подвергаться различным реакциям в зависимости от реагентов или условий. Нитрильная группа может быть гидролизована, восстановлена или выброшена из молекулы в виде цианид-иона.
Гидролиз нитрилов RCN протекает в отдельных стадиях при кислотной или щелочной обработке, давая сначала карбоксамиды RC(=O)NH 2 , а затем карбоновые кислоты RCOOH. Гидролиз нитрилов до карбоновых кислот является эффективным. В кислотной или щелочной среде сбалансированные уравнения следующие:
Строго говоря, эти реакции опосредуются (а не катализируются ) кислотой или основанием, поскольку один эквивалент кислоты или основания расходуется на образование аммонийной или карбоксилатной соли соответственно.
Кинетические исследования показывают, что константа скорости второго порядка для гидролиза ацетонитрила до ацетамида, катализируемого гидроксид-ионами , составляет 1,6 × 10−6 М −1 с −1 , что медленнее, чем гидролиз амида до карбоксилата (7,4 × 10−5 М −1 с −1 ). Таким образом, путь основного гидролиза даст карбоксилат (или амид, загрязненный карбоксилатом). С другой стороны, реакции, катализируемые кислотой, требуют тщательного контроля температуры и соотношения реагентов, чтобы избежать образования полимеров, чему способствует экзотермический характер гидролиза. [28] Классическая процедура преобразования нитрила в соответствующий первичный амид требует добавления нитрила к холодной концентрированной серной кислоте . [29] Дальнейшее преобразование в карбоновую кислоту затруднено низкой температурой и низкой концентрацией воды.
Два семейства ферментов катализируют гидролиз нитрилов. Нитрилазы гидролизуют нитрилы до карбоновых кислот:
Нитрилгидратазы — это металлоферменты , гидролизующие нитрилы до амидов.
Эти ферменты используются в коммерческих целях для производства акриламида .
«Безводная гидратация» нитрилов в амиды была продемонстрирована с использованием оксима в качестве источника воды: [30]
Нитрилы восприимчивы к гидрированию над различными металлическими катализаторами. Реакция может давать либо первичный амин ( RCH 2 NH 2 ), либо третичный амин ( (RCH 2 ) 3 N ), в зависимости от условий. [31] В обычных органических восстановлениях нитрил восстанавливается путем обработки алюмогидридом лития до амина. Восстановление до имина с последующим гидролизом до альдегида происходит в синтезе альдегида Стефана , который использует хлорид олова в кислоте.
Алкилнитрилы достаточно кислые, чтобы подвергаться депротонированию связи CH, смежной с группой CN. [32] [33] Требуются сильные основания, такие как диизопропиламид лития и бутиллитий . Продукт называется нитрил-анионом . Эти карбанионы алкилируют широкий спектр электрофилов. Ключом к исключительной нуклеофильности является небольшая стерическая потребность в единице CN в сочетании с ее индуктивной стабилизацией. Эти особенности делают нитрилы идеальными для создания новых углерод-углеродных связей в стерически сложных средах.
Углеродный центр нитрила является электрофильным , поэтому он восприимчив к реакциям нуклеофильного присоединения :
Нитрилы являются предшественниками комплексов нитрилов переходных металлов , которые являются реагентами и катализаторами. Примерами являются тетракис(ацетонитрил)медь(I)гексафторфосфат ( [Cu(MeCN) 4 ] + ) и бис(бензонитрил)палладийдихлорид ( PdCl2 (PhCN) 2 ). [40]
Цианамиды представляют собой N -цианосоединения с общей структурой R 1 R 2 N−C≡N и родственные исходному цианамиду . [41]
Нитрильные оксиды имеют химическую формулу RCNO . Их общая структура - R−C≡N + −O − . R обозначает любую группу (обычно органил , например, ацетонитрил оксид CH 3 −C≡N + −O − , водород в случае фульминовой кислоты H−C≡N + −O − , или галоген (например, фульминат хлора Cl−C≡N + −O − ). [42] : 1187–1192
Нитрилоксиды сильно отличаются от нитрилов: они являются высокореакционноспособными 1,3-диполями и не могут быть синтезированы прямым окислением нитрилов. [43] Вместо этого их можно синтезировать дегидрированием оксимов или дегидратацией нитроалканов ; [44] : 934–936 Они используются в 1,3-диполярных циклоприсоединениях , [42] : 1187–1192 например, к изоксазолам . [44] : 1201–1202 Они подвергаются диотропной перегруппировке типа 1 в изоцианаты . [42] : 1700
Нитрилы встречаются в природе в разнообразных растительных и животных источниках. Более 120 природных нитрилов были выделены из наземных и морских источников. Нитрилы обычно встречаются в косточках фруктов, особенно миндаля, и во время приготовления капустных культур (таких как капуста, брюссельская капуста и цветная капуста), которые выделяют нитрилы посредством гидролиза. Манделонитрил , циангидрин, получаемый при употреблении миндаля или некоторых фруктовых косточек, выделяет цианистый водород и отвечает за токсичность цианогенных гликозидов. [45]
В настоящее время на рынке представлено более 30 нитрилсодержащих фармацевтических препаратов для различных медицинских показаний, а более 20 дополнительных нитрилсодержащих препаратов находятся в стадии клинической разработки. Типы фармацевтических препаратов, содержащих нитрилы, разнообразны: от вилдаглиптина , противодиабетического препарата, до анастрозола , который является золотым стандартом в лечении рака молочной железы. Во многих случаях нитрил имитирует функциональность, присутствующую в субстратах для ферментов, тогда как в других случаях нитрил увеличивает растворимость в воде или снижает восприимчивость к окислительному метаболизму в печени. [46] Функциональная группа нитрила встречается в нескольких препаратах.
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link); Собрание томов , т. 6, стр. 307.